unidad vi ck y ob (1)
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Universidad de Oriente
Núcleo Bolívar
Escuela de Ciencias de la Salud
Bioquímica Médica
UNIDAD VI-CICLO DE KREBS Y
OXIDACIONES BIOLÓGICAS
Prof. Zulay Castillo Pérez
El ciclo de Krebs (de los ácidos tricarboxílicos o del
ácido cítrico) es una vía metabólica presente en todas las
células aerobias, donde las rutas metabólicas responsables
de la degradación de los glúcidos, ácidos grasos y
aminoácidos convergen, este a su vez aporta poder reductor
a la cadena respiratoria y libera CO2.
Es en la mitocondria, donde se encuentra la
maquinaria enzimática que permite la oxidación de diversas
macromoléculas, para su posterior transformación en
energía.
Los procesos oxidativos mitocondriales emplean 2/3 del
oxígeno que inspiramos y el eje del metabolismo oxidativo es
el CICLO DE KREBS.
Por cada molécula de Acetil CoA que ingresa al Ciclo de Krebs
se producen:
✔ 2 moléculas de CO2
✔ Reducción de 3 moléculas de NAD+ hasta NADH
✔ Reducción de FAD+ hasta FADH2
✔ 1 GTP producto de una fosforilación a nivel de sustrato
✔ El ciclo del ácido cítrico es la vía central del metabolismo
aerobio
✔ Considerado el embudo del metabolismo, consiste ocho
reacciones enzimáticas, todas ellas mitocondriales en los
eucariotas
✔ En condiciones aerobias, el piruvato ingresa a la matriz
mitocondrial y es convertido a acetil-CoA.
✔ En muchas células la acción acoplada del ciclo del ácido
cítrico y la cadena de transporte de electrones son
responsables de la mayoría de la energía producida.
✔ La oxidación del piruvato a Acetil-CoA es catalizada por el
complejo multienzimático de la piruvato deshidrogenasa
(PDH). Esta reacción es irreversible en tejidos animales, no
forma parte del ciclo de Krebs, pero constituye un paso
obligatorio para la incorporación de los glúcidos al ciclo.
La última etapa en la degradación de la glucosa es
el paso del piruvato desde el citoplasma al interior de las
mitocondrias donde es oxidado y descarboxilado para
formar acetil CoA y así entrar al CAT.
El piruvato pasa a la matriz mitocondrial con el
transporte simultaneo de H+ en dirección opuesta. La [H+]
es mantenida por la transferencia de electrones que tiene
lugar en la matriz mitocondrial facilitando el ingreso de
piruvato.
Es un complejo mitocondrial formado por tres enzimas
(E1, E2, y E3) en una relación estequiométrica 30:60:6.
Aparte de estas 3 enzimas, es regulada por la piruvato
deshidrogenasa cinasa y piruvato deshidrogenasa fosfatasa.
Pirofosfato de tiamina Lipoamida
NAD+ FAD+ CoA
E1 o Piruvato descarboxilasa que cataliza la reacción:
Piruvato + lipoamida => S-acetildihidrolipoamida + CO2
E2 o Dihidrolipoil transacetilasa que cataliza la reacción:
CoA + Sacetildihidrolipoamida =>AcetilCoA + dihidrolipoamida
E3 o Dihidrolipoil deshidrogenasa que cataliza la reacción:
Dihidrolipoamida + NAD+ => lipoamida + NADH
PDK o Piruvato Deshidrogenasa Cinasa
Se encuentra fuertemente unida para formar parte del
complejo PDH, y regula la actividad catalítica de PDH
mediante un proceso de fosforilación.
PDP o Piruvato Deshidrogenasa Fosfatasa
PDP se encuentra unida de forma lábil al complejo PDH, y
regula la actividad catalítica de PDH mediante un proceso
de desfosforilación de la forma fosforilada.
+
Ca2+ ADP
P
Reacción 1: Formación de citrato
Condensación de una molécula de Acetil-CoA + 1 molécula de
oxalacetato con acción catalítica de la citrato sintasa.
Es un proceso irreversible supone la hidrólisis del enlace tioéster
del acetil-CoA con liberación de energía en forma de calor.
La enzima es inhibida por el citrato y succinil CoA
Reacción 2: Isomerización del citrato
Transformación del CITRATO en ISOCITRATO con formación de un compuesto
intermedio el CIS - ACONITATO.
La enzima que cataliza es la aconitasa que contiene en su molécula Fe++ y
requiere de glutatión. El proceso es reversible y cataliza la liberación de los dos
compuestos para obtener cis-aconitato.
Reacción 3: Oxidación del isocitrato
El ISOCITRATO sufre una deshidrogenación por la isocitrato
deshidrogenasa catalizando la oxidación del grupo alcohol y la
posterior ruptura del grupo carboxilo liberando CO2 y formando α-
cetoglutarato.
La enzima tiene como coenzima NAD+ y el ión Mg++ como
cofactor mineral.
Reacción 4: Descarboxilacion de α-cetoglutarato a succinil-CoA
Reacción catalizada por el complejo α-cetoglutarato
deshidrogenasa. En esta reacción se libera uno de los grupos carboxilo
del α-cetoglutarato y el grupo ceto adyacente se oxida al nivel del ácido
que luego se combina con la CoASH para formar succinil CoA.
Reacción 5: Conversión de succinil CoA a succinato.
Fosforilación a nivel de sustrato
Es catalizado por la enzima succinato tioquinasa o succinilCoA
sintetasa (transferencia de un grupo tiol proveniente del succinilCoA y
fosforilación del GDP)
Ocurre fosforilación a nivel de sustrato con formación de un
enlace de alta energia sin participación del O2 molecular.
Reacción 6: Oxidación del succinato para formar fumarato.
Por acción de la succinato deshidrogenasa el succinato es
oxidado a fumarato por deshidrogenación con reducción de la ubiquinona
(CoQ) y formación de ubiquinol o forma reducida de la coenzima Q
(CoQH2).
La succinato deshidrogenasa esta enclavada en la cara interna de
la membrana mitocondrial.
Reacción 7: Hidratación del fumarato para formar L-malato.
La fumarasa (fumarato hidratasa) cataliza la incorporación de una
molécula de agua al doble enlace en posición trans del FUMARATO
dando lugar al isomero L-MALATO.
Reacción 8: Oxidación de malato a oxalacetato.
Reacción catalizada por la malato deshidrogenasa, dependiente de NAD+.
Esta reacción cierra el ciclo reponiendo el OXALACETATO que se uso
inicialmente.
En tejidos humanos se han descrito 6 isozimas para la malato
deshidrogenasa.
Citrato
sintasa
Aconitasa
Aconitasa
Isocitrato
DH
Complejo α-
cetoglutarato
DH
Succinil CoA sintetasa
Succinato deshidrogenasa
Fumarasa
Malato
deshidrogenasa
Citrato
Cis-
aconitato
Isocitrato
α-cetoglutarato
Succinil
CoA
Succinato
Fumarato
Malato
Oxalaceato
1
Condensación
2a
Deshidratación
2b
Hidratación
3
Descarboxilación
Oxidativa
4
Descarboxilación
Oxidativa 5 -Fosforilación a
nivel de sustrato
6
Deshidrogenación
7
Hidratación
8
Deshidrogenación
El factor regulador más importante es la relación intramitocondrial de [NAD+] / [NADH]
Disponibilidad de sustratos
Inhibición por acumulación de productos
Regulación de las siguientes enzimas
CITRATO SINTASA. Inhibidores: NADH, succinil-CoA, citrato, ATP.
Activadores: ADP
ISOCITRATO DESHIDROGENASA
α-CETOGLUTARATO
DESHIDROGENASA.
Inhibidores: succinil-CoA, NADH.
Activadores: Ca++
Inhibidores: ATP
Activadores: Ca++, ADP
Realicemos un ejercicio práctico.
Cuántas moléculas de ATP son
producidas en el Ciclo de Krebs luego
de la oxidación aeróbica completa de 15
moléculas de Acetil-CoA?
Una reacción de oxido-reducción es una
reacción de transferencia de electrones, la
especie que pierde los electrones se oxida y la
que los gana se reduce.
Se denomina reductor a la especie que
cede los electrones y oxidante al que los recibe.
La capacidad oxidante o reductora de un compuesto se expresa en
forma de potencial redox.
Mientras más poder reductor tenga una sustancia mayor
será su potencial redox negativo y en cambio al ser muy oxidantes
tienen potencial redox muy positivos.
Este potencial determina la disposición de los complejos en
la Cte- y por ende el flujo de electrones. Estando ordenados en
secuencia de electronegatividad decreciente, es decir a medida que
avanzan los electrones en la cadena son transportados a complejos
con mayor afinidad por ellos
La impermeabilidad de la membrana interna
mitocondrial para moléculas e iones como
NADH, Acetil-CoA, oxalacetato y potasio origina
problemas que tienen solución con otros
sistemas de transporte llamados lanzaderas,
para garantizar el aprovechamiento del NADH
citosólico para la síntesis de ATP.
Los equivalentes de NADH generados en glucólisis son
transportados a la mitocondria por oxidación.
Esto es realizado por la lanzadera malato-aspartato o lanzadera
malato la cual opera solo en hígado, riñón y corazón en este caso
el NADH reduce el oxalacetato a malato por medio de la malato
deshidrogenasa citoplasmática.
El malato puede atravesar la membrana mitocondrial. Dentro de la
mitocondria el malato es oxidado a oxalacetato por la malato
deshidrogenasa y en este caso el NAD+ es reducido a NADH.
En músculo esquelético y cerebro los equivalentes reductores del
NADH del citoplasma son transportados a la mitocondria como
FADH2 a través de la lanzadera glicerol-3-fosfato.
Conjunto de complejos enzimáticos embebidos en la membrana
mitocondrial que oxidan NADH y FADH2 generándose un gradiente de
protones.
Puntos claves:
1. Los protones son transferidos a través de la membrana, desde la matriz al
espacio intermembrana, como resultado del transporte de electrones que se
originan cuando el NADH cede un hidrógeno. La continuada producción de
esos protones crea un gradiente de protones.
2. La ATP sintetasa es un gran complejo proteico con canales para protones
que permiten la re-entrada de los mismos.
3. La síntesis de ATP se produce como resultado de la corriente de protones
fluyendo a través de la membrana: ADP + Pi ---> ATP
El complejo I, también llamado NADH ubiquinona oxidorreductasa
transporta los electrones del NADH a la ubiquinona.
El complejo II: Es la succinato dehidrogenasa, única enzima del ciclo
de Krebs unida a membrana, que pasa los electrones del FADH2 a la
ubiquinona.
El complejo III, también llamado citocromo bc1 o complejo
ubiquinona citocromo c oxidorreductasa, acopla la transferencia
de electrones desde la ubiquinona al citocromo c.
4 H+
El complejo IV, también llamado citocromo oxidasa, es la última
etapa de la cadena de transporte electrónico de la respiración y
conduce los electrones desde el citocromo c hasta el último
aceptor de los electrones, el oxígeno que se reduce a agua.
2 H+
Cada complejo recibe de un donador los equivalentes reductores, que
fluyen a través del complejo y son cedidos a un aceptor. La coenzima Q
es el enlace entre los complejos I y II hacia el III y el citocromo es el
enlace al complejo IV.
NADH ubiquinona
oxidorreductasa Succinato
deshidrogenasa
Ubiquinona Cit c
oxidorreductasa Citocromo oxidasa
Durante el transporte electrónico son tres puntos en donde tienen
lugar pérdidas de energía libre lo suficientemente grandes como para
que puede existir síntesis de ATP. Ambos procesos, que son
diferentes, se encuentran acoplados.
La ATP sintasa es la enzima que cataliza la fosforilación y se
encuentra ligada a la membrana mitocondrial interna, como proteína
integral de la misma.
La ATP sintasa posee una zona esférica, llamada factor F1 dirigida
hacia la matriz mitocondrial, y otra parte, el factor F0, integrado en la
membrana.
1.- El transporte de electrones y la síntesis del ATP están acoplados por
una gradiente de protones.
2.- la energía libre proveniente del transporte de electrones en la cadena
respiratoria es conservada desplazando protones (H+) de la matriz
mitocondrial al espacio intermembrana para crear una gradiente
electroquímica de H+ a través de la membrana mitocondrial interna.
3.- La concentración de H+ se hace mayor en el lado citosólico, y
alcanzada una gradiente produce una síntesis de ATP por el complejo
FoF1 ATP-sintetasa.
Es la enzima que genera el ATP formada por varias subunidades que
contienen una porción en la membrana interna (F0), un tallo y una cabeza (F1)
que se proyecta al interior de la matriz.
• Segmento hidrofóbico que atraviesa la membrana interna
mitocondrial
• Contiene conducto de H+ del complejo
• Formado por:
10-14 subunidades c
1 subunidad a en la periferia del anillo
Formada por 5 cadenas polipeptidicas:
3 cadenas α
3 cadenas β
cadenas γ δ ε.
• α y β alternadas en anillo hexámerico
ambas unen nucleótidos, solo β participa en la
catálisis.
• γ y ε forman el tallo central de la estructura.
• γ rompe la simetría del hexámero α3 β3: cada
subunidad β adopta diferente conformación
debido a su interacción con γ
ATP Sintasa
Los desacopladores químicos o ionóforos protónicos son compuestos
liposolubles que impiden la esterificación del ADP para dar ATP pero
permiten el flujo de e- por la CTE.
Inhiben el almacenamiento de energía en forma de ATP y aumentan la
disipación de energía en forma de calor en los procesos celulares.
Un ejemplo de estos es el Dinitrofenol que colapsa el gradiente de
protones a ambos lados de la membrana.
Otro caso es el de proteínas desacopladoras. La termogenina (PD1) o
que pueden formar canales a través de la membrana y alterar el gradiente
protónico y su función es evidente en la producción de calor en la grasa
marrón
Los inhibidores a diferencia de los desacopladores inhiben la cadena
transportadora de electrones en lugares específicos detenindo el flujo de
electrones y por ende la fosforilación oxidativa. Ejemplos de algunos
inhibidores son:
Rotenona que inhibe el complejo I
El antibiótico Antimicina que inhibe el complejo II
Compuestos altamente tóxicos como el cianuro, azida sódica, ácido
sulfhídrico, y el monóxido de carbono bloquean eficazmente la citocromo
oxidasa formando un complejo con el hierro citocrómico.
La oligomicina y el atractilósido inhiben la fosforilación la primera inhibiendo
una de las proteínas presentes en el tallo F0F1 y el segundo inhibiendo la
translocasa.
El flujo de electrones esta tan ligado al proceso de la
fosforilación que los electrones no fluyen por la cadena
hacia el O2 si no existe ADP disponible para fosforilarse
este fenómeno se conoce como control respiratorio.
El gasto de ATP en las funciones celulares es el principal
factor para regenerar ADP el cual desencadena el flujo de
electrones.